Científicos japoneses desarrollaron un material de carbono capaz de atrapar CO2 y liberarlo con solo aplicar calor de baja temperatura, lo que abre la vía a sistemas de captura más eficientes y menos costosos que los actuales, según datos publicados por el portal científico Science Daily.
El desarrollo, dirigido por el profesor asociado Yasuhiro Yamada y el profesor asociado Tomonori Ohba en la universidad japonesa Chiba University, permite que la mayoría del CO2 capturado se libere a menos de 60 °C. Esta característica posibilita el uso de calor residual industrial y reduce los costos energéticos asociados a la operación, según el portal científico.
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En contraste, las tecnologías convencionales, como la limpieza con aminas acuosas, requieren calentar grandes volúmenes de líquido a temperaturas superiores a 100 °C, lo que incrementa el gasto energético y dificulta la adopción a gran escala.
La investigación realizada en Chiba University demostró que el control molecular sobre la disposición de los grupos nitrogenados en los materiales de carbono es clave para optimizar la captura y liberación de CO2.
El grupo desarrolló una nueva familia de materiales, denominados viciazitas, en los que los grupos de nitrógeno se ubican de manera dirigida y adyacente, lo que permite superar la limitación histórica de la colocación aleatoria en los materiales sólidos tradicionales.
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El posicionamiento preciso de grupos nitrogenados permite un salto en la eficiencia
Los materiales sólidos de carbono fueron evaluados como alternativas más económicas frente a los sistemas líquidos convencionales por su bajo costo y alta superficie específica, pero hasta ahora su desempeño se veía limitado por la disposición aleatoria de grupos nitrogenados. La innovación del equipo radica en la síntesis controlada de viciazitas, que permite la ubicación precisa y adyacente de los grupos funcionales de nitrógeno.
La síntesis, detallada en la revista especializada Carbon y cofirmada por Kota Kondo —también de Chiba University—, se realizó en tres fases: calentamiento inicial del compuesto coroneno, tratamiento con bromo y exposición a amoníaco gaseoso. Este método alcanzó una selectividad del 76 % para la colocación de grupos amina primaria (–NH2), mientras que variantes adicionales presentaron nitrógeno pirrólico con 82 % de selectividad y nitrógeno piridínico con 60 %.
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La validación estructural se llevó a cabo mediante resonancia magnética nuclear, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X y modelos computacionales, que confirmaron el posicionamiento exacto de los átomos de nitrógeno adyacentes.
En los ensayos funcionales, las muestras con grupos –NH2 adyacentes y las de nitrógeno pirrólico lograron una captura de CO2 superior respecto a las fibras de carbono no tratadas, mientras que la variante con nitrógeno piridínico no mostró mejoras sustanciales.
Según los resultados, “la mayoría del CO2 adsorbido se desorbe a temperaturas por debajo de 60 °C”, indicó Yamada, según el portal científico. Esta propiedad facilita la integración con el calor residual de procesos industriales y disminuye la necesidad de fuentes energéticas adicionales.
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La muestra basada en nitrógeno pirrólico requiere temperaturas más altas para la desorción; esta diferencia se debe a la mayor robustez química de la estructura pirrólica, que aumenta su estabilidad frente a otras variantes.
Nuevas rutas para la captura de carbono con control molecular
El estudio confirma que es posible obtener materiales de carbono dopados con nitrógeno con control molecular y reproducción selectiva de la disposición adyacente de los grupos funcionales. Para Yamada, “este trabajo proporciona rutas validadas para sintetizar materiales de diseño, con el control molecular necesario para crear tecnologías de captura de CO2 más avanzadas y asequibles”.
El investigador subrayó que la motivación central radica en contribuir a una futura sociedad baja en carbono mediante materiales de arquitectura controlada para soluciones climáticas de próxima generación.
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Además de la captura de CO2, los materiales viciazita muestran potencial en áreas como la eliminación de iones metálicos y la catálisis, gracias a la posibilidad de ajustar sus propiedades superficiales de manera precisa.
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